科学研判碳达峰碳中和目标下我国能源消费结构和煤炭消费演变趋势，采取正确的应对措施，是实现碳达峰碳中和、能源安全稳定供应双重目标的客观要求。
近日，谢和平院士团队在系统分析美国等发达国家碳达峰前后现代化进程与能源消费特征的基础上，研判了我国能源消费格局演变趋势及不同时段煤炭消费规模，指出了碳达峰碳中和目标将给煤炭行业带来的三大发展机遇。7月13日，这项成果以《碳中和目标下煤炭行业发展机遇》为题在《煤炭学报》进行了网络首发。
一、碳达峰前后美国现代化进程与能源消费特征
欧美主要发达国家在19世纪末、20世纪初完成了工业化，并开启现代化进程。发达国家在基本实现现代化后，能源消费与经济发展脱钩，能源消费达峰，碳排放开始下降。综合考虑经济体量、产业结构、人口规模等因素，美国的发展经验对我国有很好的借鉴意义。
▲美国现代化进程及能源消费变化特征
研究人员根据现代化进程、能源消费和碳排放趋势，将美国碳排放分三个阶段：即碳达峰前期（1949—1999年）、碳达峰平台期（2000—2008年）、碳达峰后期（2009年至今）。依据Tapio弹性分析法对美国能源消耗与GDP增长的脱钩程度进行定量分析后，得到如下认识：
（1）页岩气革命支撑了美国经济发展的能源需求，现代化进程仍需化石能源。近10年页岩气产量年均增长23.4%，支撑天然气在美国能源消费结构中提高了9个百分点，化石能源在能源消费结构中占比稳定保持在80%以上。
（2）节能带动现代化进程与能源消费脱钩，是支撑能源达峰、碳排放下降的最核心因素。近10年美国单位GDP能耗年均降速达3.6%，节能相当于增加美国能源供应41.5%，且不增加碳排放。
（3）如光靠新能源增长，支撑不起美国经济发展。近10年美国核能基本不增长，可再生能源在能源消费结构中仅增长4.4个百分点。如果扣除页岩气推动的天然气消费增长，美国将增加4.6个百分点的能源供应缺口。
▲美国GDP、能源消费变化及能源脱钩状态
二、碳中和目标下我国能源发展路径
依据现代化进程的经济和社会指标综合判断，目前我国现代化程度与美国1950—1970年相当，这一差距要求现代化进程持续推进，仍然需要能源支撑。
能源领域是我国实现碳达峰碳中和的核心所在，但不意味着要完全退出煤炭，完全退出化石能源。借鉴美国碳达峰前后的能源消费、碳排放强度等基本特征和变化规律，结合我国能源资源禀赋和经济社会所处发展阶段，碳达峰碳中和目标下，我国能源发展将主要有三大路径。
1. 持续提高能源效率，减少能源消费
美国能源消费碳排放强度在碳达峰前期、达峰期下降幅度较小，实现碳达峰核心是提高能源效率，降低单位GDP能耗，在不大幅度增加能源消费的前提下，支撑经济增长。2019年美国单位GDP能耗仅相当于1949年的3.9%。
我国单位GDP能耗自1988年以来呈现快速下降趋势，由29.8tce/万美元降低到2019年的3.4tce/万美元，降低了88.6%，但距离世界平均水平和发达国家还有较大差距，是世界平均水平的1.4~1.5倍，是美国的2倍。若能达到世界平均，每年可少用能13亿tce、减排二氧化碳34亿t，约占2020年我国碳排放量的1/3。因此，提高能源效率，减少能源消费，是我国实现碳达峰碳中和的最重要途径。
▲中、美单位GDP能耗比较
2. 大力发展新能源，优化电力结构
能源结构优化核心是电力结构优化。1949—2015年煤炭一直是美国发电能源的第一大来源，从2016年起天然气成为第一大发电能源，且占比不断提高。到2020年天然气发电占比达到40%，煤炭仅占19%。
在碳达峰前期，燃煤发电在美国的电力结构中占据主导地位，但占比呈下降趋势，天然气发电呈增加趋势，其它能源发电占比变化不大。
在碳达峰平台期，燃煤发电占比呈现下降趋势，天然气发电占比稳步增加，天然气发电对煤炭的替代是推动美国碳达峰的重要原因。
在碳达峰后期，燃煤发电占比由2009年的45.7%迅速降低到2020年的19.9%，降低了25.8个百分点；天然气发电持续增加，由2009年的22.1%增加到2020年的39.3%，增加了17.2个百分点；可再生能源发电稳步增加了10.5个百分点。天然气和可再生能源持续替代煤炭发电，支撑了美国碳达峰后期碳排放量下降。
2020年我国电力结构中燃煤发电量占比大于60%。基于美国现代化进程和碳达峰前后电力结构对比，我国电力结构还有很大优化空间。然而，我国天然气增产有限，难以像美国那样作为发电的第一大能源。碳中和目标下，我国应大力发展风能、太阳能等可再生能源发电技术，逐步提高非化石能源发电占比，持续优化电力结构。
▲不同研究机构对我电力需求的预测
3. 增强自给能力，保障能源安全
能源安全稳定供应是一个国家强盛的保障和安全的基石，美国制定前瞻性的能源战略并通过立法长期推进“能源独立”。我国油气对外依存度持续上升，能源安全面临严峻挑战。基于能源资源禀赋条件，我国不能简单复制美国发展非常规油气的能源独立模式，但可借鉴其成功经验。
煤炭具备适应我国能源需求变化的开发能力，具有开发利用的成本优势，煤炭清洁高效转化技术经过2005年以来的“技术示范”、“升级示范”已趋于成熟，具备短期内形成大规模油气接续能力的基础，应当充分发挥煤炭在平衡能源品种中的作用，推进煤炭与油气耦合发展，保障我国能源安全。
▲中美能源自给率比较
三、碳中和目标下煤炭消费主要领域
美国在碳达峰后，煤炭消费长期保持在7亿~10亿t，2018年后才快速下降，到目前5亿t左右。德国在1990年碳达峰，煤炭消费多年保持在2亿t左右。日本在2013年碳达峰后，煤炭仍长期占能源消费的20%以上。美国、德国、日本发展历程表明，即使有可替代煤炭的能源，碳达峰后仍然使用煤炭，只是煤炭的用途发展了变化。
鉴于我国能源资源禀赋和经济社会所处阶段，煤炭消费量占比虽下降，但在能源体系中的“压舱石”和“稳定器”作用越来越凸显。结合发达国家的发展历程，预计我国在2060年完全实现碳中和后，仍需要煤炭作为电力调峰、碳质还原剂以及保障油气供应安全等。
▲科学产能对煤炭产量的支撑能力变化
四、碳中和目标下能源消费格局
借鉴美国现代化进程、能源消费、碳排放强度等基本特征和变化规律，结合我国能源发展趋势和相关政策，预计今后一段时期我国能源消费格局变化将主要有三个阶段。
碳中和目标下煤炭与新能源的地位变化
1. 缓慢过渡期（2021—2030年）
2030年前，适应碳达峰的要求，风、光等新能源是满足能源增量需求的主体，规模增长速度快，但是由于基数小，在能源消费结构中的占比提高缓慢，逐步由15%向30%靠近，成为补充能源。而由于我国能源消费保持在较高水平，新能源增量赶不上能源需求增量，煤炭消费量保持平稳或略有增长，维持在45亿~35亿t/a，但是煤炭在能源消费中的占比逐步下降到50%左右，由主体能源转变为基础能源。
2. 关键过渡期（2031—2050）
2031—2050年，碳达峰后，新能源不仅是满足能源增量需求的主体，并开始替代煤炭等化石能源，新能源在能源消费中的占比提高到30%~49%，成为替代能源。与此同时，受碳排放约束，煤炭消费一定程度上被替代，煤炭利用逐步向电力调峰、碳质还原剂以及保障能源供应安全等集中，煤炭消费量下降到35亿~25亿t/a，由基础能源转变为保障能源。
3. 过渡结束期（2050—2060）
2050—2060年，随着进入碳中和攻坚期，新能源大幅度代替传统化石能源，新能源在能源消费中的占比提高到50%~80%，成为主体能源。与此同时，受碳排放约束，煤炭只剩下电力调峰、碳质还原剂以及保障能源供应安全等不能被替代的用途，煤炭消费量下降到15亿~12亿t/a，由保障能源转变为支撑能源。
五、碳中和目标下煤炭行业发展机遇
1. 回归高质量发展的机遇
煤炭行业70年负载运行，超负荷生产，为经济社会发展贡献了925亿t煤炭产品。煤炭行业专家学者早在20世纪末就提出推进煤炭行业高质量发展的愿望，钱鸣高院士提出，“在地质条件好的情况下同样产出10亿吨煤，中美百万吨死亡率差不多。但是油气、可再生能源上不来，我国的煤炭产能就必须扩大到30亿吨，必须开采地质条件不好的20亿吨，因此问题就出现了”。为了满足高产能的要求，煤炭行业做出了巨大努力，1/3依靠适应国情的新技术和世界一流的煤矿，1/3依靠一般技术的煤矿，而另外的1/3则依靠技术水平低、安全差的煤矿。钱鸣高院士研究认为，按照目前煤炭行业的技术水平，我国煤炭产量在25亿~30亿t比较合适。
碳达峰碳中和目标下，煤炭行业可放下产量增长的包袱，从扩大产能产量追求粗放性效益为第一目标的增量时代，迈向更加重视生产、加工、储运、消费全过程安全性、绿色性、低碳性、经济性的存量时代，快速提升发展质量。
2. 煤炭行业升级高技术产业的机遇
2015年以来，积极把握经济社会发展的态势，煤炭行业主动提出煤炭革命、自我革命。大量高校、科研院所已开始研究，一些研究团队取得了一定进展，但尚未取得重大突破。深圳大学提出了一种可适用于现场施工的固体资源流态化开采新方法-迴行开采结构及方法，进行深部煤炭资源流态化开采时只需布置一个水平大巷和一个流态化资源井下中转站，不需要建设用于煤炭提升、运输的井巷。中国矿业大学提出了钻井式煤与瓦斯物理流态化同采方法，通过地面钻井对突出等煤层实施高压射流原位破煤，碎煤颗粒以流态形式输运至地面，同时涌出瓦斯经钻井抽采利用，并将地面固废材料回填至采煤空穴，实现近零生态损害的煤与瓦斯协同开采，颠覆传统的煤炭井工开采模式。
碳达峰碳中和目标倒逼煤炭行业改变过去几十年引进-消化-吸收-再创新的路径延续式创新模式，煤炭行业将迎来实现颠覆性创新的机遇，可以集聚优势创新资源，轻装上阵主攻技术装备，早日成为高精尖技术产业。
3. 抢占新能源主阵地的机遇
煤炭与可再生能源具有良好的互补性。煤炭的主要利用方式是发电，可再生能源利用的主要方式也是发电，燃煤发电与可再生能源发电优化组合，可充分利用燃煤发电的稳定性，为可再生能源平抑波动提供基底，规避可再生能源发电的不稳定性；利用可再生能源的碳综合能力，为燃煤发电提供碳减排途径，在很大程度上减轻单纯燃煤发电的碳减排压力。除了电力外，煤炭与可再生能源在燃烧和化学转化方面的耦合，也逐步形成模式，突破了一系列技术，为煤炭与可再生能源深度耦合提供了良好基础。
过去很多年，煤炭企业发展新能源基础弱，也没有动力、决心，碳中和目标倒逼煤炭企业主动发展新能源，进入新能源主阵地。可以充分发挥煤矿区优势，以煤电为核心，与太阳能发电、风电协同发展，构建多能互补的清洁能源系统，将煤矿区建设成为地面-井下一体化的风、光、电、热、气多元协同的清洁能源基地。
▲煤炭大比例接续油气的路径
六、展望
最后，研究人员进行了展望，今后应把握碳达峰碳中和目标为煤炭行业留出降低发展速度、提升发展质量的时间和空间，抓住带给煤炭行业的转型机遇，碳达峰碳中和进程也将是煤炭行业转型升级乃至颠覆式发展的过程。实现碳中和后，有望：
（1）煤炭成为精品。虽然产量降低，但是价格回归到应有的本真价值，反映地表无塌陷、生态无损伤条件下的绿色低碳煤炭生产完全成本。
（2）煤矿成为现代化能源供应系统。按需灵活生产煤炭、电力、碳材料等，井下巷道储能，平抑可再生能源波动，煤炭与可再生能源互补，稳定供应清洁能源。
（3）煤矿区成为零碳/负碳清洁能源生产基地。地下空间碳固化、碳封存，就地处置煤炭利用产生的二氧化碳；地面可再生能源利用，零碳排放；矿区植被形成碳汇，负碳排放。
（4）煤炭企业成为清洁能源和高端材料供应商。煤炭企业将成为新能源开发的主阵地、煤基高端碳材料的引领者。
